Je hebt meer gemeen met een zebravink dan je op het eerste zicht zou denken. Wetenschapper in de biochemie Jolien Diddens onderzocht voor haar doctoraat aan de Universiteit Antwerpen het belang van DNA-methylatie bij het sluiten van de kritische periode waarin zebravinken hun zang leren. ‘Er zijn veel gelijkenissen tussen de ontwikkeling van zang bij vinken en spraak bij mensen’, aldus Jolien Diddens.
Jolien Diddens studeerde biochemie en biotechnologie aan de Universiteit Antwerpen waar ze in 2012 haar master behaalde. Datzelfde jaar begon Jolien aan haar doctoraat in het labo van prof. Wim Vanden Berghe. In december 2023 verdedigde ze met succes haar onderzoek. Ondertussen is Jolien als wetenschapper aan de slag bij het Max Planck Institute in Duitsland.
Beluister hier ook de podcast waarin het onderzoek van Jolien Diddens wordt besproken.
Waarom heb je gekozen voor de opleiding biochemie en biotechnologie aan de Universiteit Antwerpen?
‘Omdat ik het fascinerend vind hoe levende organismen werken op cellulair en moleculair niveau. Biochemie en biotechnologie is enerzijds het fundamenteel begrijpen van hoe cellen werken, maar is ook heel toepasbaar voor bijvoorbeeld therapieën voor ziektes, gentechnologie, …’
Hoe ben je bij jouw onderzoeksonderwerp terecht gekomen?
‘Ik had voor de start van mijn doctoraat al een stage gedaan in het labo van prof. Wim Vanden Berghe. Aan het eind van mijn master hoorde ik van Wim Vanden Berghe, dat hij een nieuw project zou starten in samenwerking met een aantal andere andere labo’s over de rol van epigenetica bij het leren van zang bij zangvogels, en dat hij hiervoor nog een doctoraatsstudent zocht. Omdat ik een grote interesse had in zowel neurobiologie als epigenetica, was ik meteen geïnteresseerd en besloot hierover mijn doctoraat te doen.’
Hoe bevalt het leven als wetenschapper je?
‘Heel goed. Natuurlijk hou ik ervan uit te vinden hoe de natuur in elkaar zit, hoe dingen werken. Ook hou ik van de afwisseling tussen werken in het labo en het bureauwerk zoals experimenten plannen, data analyseren en schrijven. Wat het ook interessant maakt is dat je continue probleemoplossend moet denken, bijvoorbeeld als een methode niet werkt zoals het moet, of het resultaat van een experiment anders is dan je had verwacht. Tenslotte kan je altijd bijleren, de beschikbare methoden en technologieën ontwikkeling zeer snel, en elke vraag die je oplost, geeft vaak aanleiding tot een heel aantal nieuwe vragen.’
Kun je meer vertellen over je onderzoek met zebravinken?
‘Zebravinken leren hun zang in een heel specifieke periode, wanneer ze tussen de 20 en de 90 dagen oud zijn. Na deze periode kunnen de vogels hun zang niet meer leren. Deze leerperiode noemen we de kritische periode. In deze fase zijn de hersenen nog plastisch en is het vermogen om te leren op zijn grootst. Van zodra die kritische periode sluit, daalt ook het leervermogen, of in het geval van de zang bij de zebravink, is het zelfs helemaal verdwenen. Bij de mens zien we dit ook. Als kind kan je bijvoorbeeld veel makkelijker een taal leren dan wanneer je volwassen bent.
Als we erin zouden slagen om die kritische periode opnieuw te openen, kunnen we ook het vermogen om te leren weer vergroten. Zo zouden mensen met hersenschade sneller kunnen revalideren, kunnen we helpen bij spraak- of andere ontwikkelingsstoornissen en zouden we levenslang kunnen leren.’
Hoe is het onderzoek precies van start gegaan?
‘We hebben verschillende tijdspunten van het leerproces gemarkeerd. Eerst gaan de vinken luisteren naar andere vogels, de tutors, en memoriseren ze het lied. In een volgende fase gaan ze zelf proberen geluid te produceren en dat stelselmatig matchen met het gememoriseerde lied. Tijdens een proces van trial and error worden ze steeds beter. Een heel gelijkaardig proces met hoe een baby van het vormen van willekeurige klanken tot zijn eerste woordjes komt. En tenslotte sluit de kritische periode.
Die verschillende tijdspunten zijn we dan met elkaar gaan vergelijken.’
Was de aanwezigheid van een tutor noodzakelijk om te leren zingen?
‘We hebben een duidelijk verschil kunnen vaststellen tussen zebravinken die wel, en zebravinken die geen tutor ter beschikking hadden om van te leren. Ook zonder tutor proberen de jonge vogels een lied te leren, maar het resultaat is dan erg random en lijkt helemaal niet op de normale zang van een zebravink. De aanwezigheid van een tutor tijdens de kritische periode is dus erg belangrijk voor de (zang)ontwikkeling.’
Kan je nog wat meer vertellen over het belang van de kritische periode?
‘Tijdens ons leven zijn er voor verschillende vaardigheden verschillende kritische periodes. Dan is het vermogen om te leren het grootst en kunnen bepaalde vaardigheden het makkelijkst worden aangeleerd. Sommige kritische periodes sluiten volledig. Als je tijdens die fase geen ervaring hebt opgedaan, dan kan je die bepaalde vaardigheid in een latere levensfase ook niet meer leren. De onderliggende hersencircuits zijn immers niet normaal ontwikkeld. Sommige kritische periodes blijven dan weer wel open, maar veel minder, zodat het aanleren nog wel lukt, maar veel moeizamer.’
Waarom hebben jullie specifiek naar de kritische periode van het aanleren van zang gekeken?
‘Ook bij zebravinken zijn er natuurlijk andere kritische periodes waarin ze leren zien of sociale vaardigheden leren. Maar voor ons was de kritische periode van de zang heel interessant omdat het onderliggend hersencircuit goed bekend is, en enkel en alleen betrokken is bij het leren en de productie van zang. Bovendien is dit zogenaamde zangcontrolesysteem makkelijk waar te nemen en te bestuderen, aangezien de neuronen heel dicht bij elkaar zitten en groter zijn.’
Welke processen zorgen ervoor dat de kritische periode opent en sluit?
‘Er is al onderzoek gevoerd naar het impact van hLuiiston modificaties op de kritische periode. Hierbij treden er chemische veranderingen op in de histon-eiwitten in ons DNA. Ook de aanwezigheid van perineurale netten, structuren die rond neuronen komen te zitten waardoor die niet meer kunnen veranderen en geen nieuwe connecties kunnen maken. Haal je die perineurale netten weg met behulp van enzymen, dan verhoog je ook weer de plasticiteit van de hersenen. Wij hebben vooral gekeken naar DNA-methylatie als mogelijke kandidaat voor het heropenen van de kritische periode.’
DNA-methylatie. Wat moeten we ons daarbij voorstellen?
‘DNA-methylatie is een epigenetisch proces waarbij methylgroepen rechtstreeks op cytosines in het DNA worden gezet. Een DNA-streng is heel lang en moet in een kleine celkern passen. Daarom wordt het heel nauw rond histonen gewikkeld. Als er echter veel methylatie op het DNA komt te staan, gaat het DNA lokaal nóg compacter worden opgewikkeld, zó compact dat het niet meer afgeschreven kan worden, waardoor specifieke genen worden uitgeschakeld.’
En dan sluit de kritische periode zich?
‘Dat was dus onze onderzoeksvraag. We hebben gezien dat de zangcontrole-nuclei heel veel DNA-methylatie hebben in vergelijking tot andere regionen. We zien ook dat enzymen die methylgroepen op het DNA zetten of ervan af kunnen halen heel hoog tot expressie komen in het zangcontrolesysteem, de hersenregio’s die betrokken zijn bij het leren van zang. Deze expressie is veel lager na het einde van de kritische periode voor zangleren. Dit zou een indicatie kunnen zijn dat dynamische veranderingen in DNA methylatie nodig zijn voor zangleren, maar verder onderzoek is nodig om dit te bevestigen.’
Zijn er risico’s verbonden aan het opnieuw openen van een kritische periode?
‘Het is heel belangrijk dat we de moleculaire mechanismen goed begrijpen voor we onderzoeksresultaten gaan vertalen naar therapieën voor de mens. Biologisch gezien is er een reden dat kritische periodes openen en sluiten. Zodra we bijvoorbeeld hebben leren stappen is het ook goed dat die vaardigheid vastzit in onze hersenen en niet meteen wordt overschreven door andere ervaringen. Bovendien hebben verschillende factoren die betrokken zijn bij het sluiten van kritische perioden, zoals bijvoorbeeld perineurale netten en myeline, ook een beschermende functie. Wanneer we hiermee gaan interfereren, maken we neuronen bijgevolg ook vatbaarder voor schade.’
Krijgen we in de toekomst een pil om onze kritische periodes weer te openen?
‘Op lange termijn zou dat natuurlijk interessant kunnen zijn; medicatie tegen spraakstoornissen is dan een van de denkpistes. Maar er is nog veel onderzoek nodig. Volgens mij zal het heropenen van een kritische periode en het vergroten van de plasticiteit van de hersenen nooit zonder bijwerkingen zijn. Voor een sneller herstel na een hersenletsel willen we die neveneffecten er wellicht bijnemen. Voor levenslang leren ook?’
Artikel geschreven door Teun De Voeght.